多層采空區(qū)下厚層堅硬頂板綜采面礦壓規(guī)律研究

劉錦榮，周　玉，杜曉武，席朝東，謝生榮

(1.大同煤礦集團有限責任公司，山西 大同 037003；2.中國礦業(yè)大學(北京)，北京 100083)

多層采空區(qū)下厚層堅硬頂板綜采面礦壓規(guī)律研究

劉錦榮1，周玉2，杜曉武2，席朝東2，謝生榮2

(1.大同煤礦集團有限責任公司，山西 大同 037003；2.中國礦業(yè)大學(北京)，北京 100083)

摘要：為了掌握大同礦區(qū)多采空區(qū)下厚層堅硬頂板綜采面開采的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，以晉華宮礦11#煤層8707綜采面為研究對象，利用綜采記錄儀數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)監(jiān)測工作面推進過程中綜采支架液壓值信息，同時對綜采面現(xiàn)場片幫、冒頂情況進行詳細觀測。綜合分析現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，得出其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律：①周期來壓步距基本處于18～26m之間，均值為21.93m；②工作面周期來壓平均動載系數(shù)為1.23，來壓不劇烈；③片深及冒高累積量變化趨勢沿工作面傾向呈“M”型；④支架工作阻力沿工作面傾向大體呈“M”型分布，前柱液壓普遍大于后柱；⑤綜采面采用ZZ6000/17/37B型支撐掩護式液壓支架，基本能滿足實際生產(chǎn)要求。研究成果對于減少工作面冒漏頂事故，保障安全高效開采具有重要作用。

關鍵詞：礦壓觀測；數(shù)據(jù)分析；周期來壓；片幫冒頂

根據(jù)相關統(tǒng)計資料，我國50%以上的礦區(qū)具有堅硬頂板煤層賦存，如大同礦區(qū)、山西陽方口礦區(qū)、晉城礦區(qū)等[1]，堅硬頂板條件下的煤層開采的礦壓與控制一直是研究熱點[2-6]。晉華宮礦位于山西省大同市西12.5km，現(xiàn)階段主要開采區(qū)域涉及煤層為7-3#、7-4#、11#、12#煤，層間距自上至下依次為8.4m、38.8m、19.9m。11#煤層8707綜采面上部為7-3#和7-4#煤層采空區(qū)，7-4#和11#煤層間賦存有一層19m厚的中砂巖。由于11#煤層上部7-3#煤、7-4#煤采空區(qū)，當11#煤層開采時上覆巖層多次破斷垮落造成頂板應力環(huán)境復雜，同時頂板巖層受到上部煤層的采動影響，層間堅硬厚層砂巖劣化，基本頂承載能力降低，這均會影響11#煤層的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。論文針對晉華宮特殊地質條件，采用工作面綜采記錄儀數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)[7-8]對礦壓顯現(xiàn)規(guī)律監(jiān)測追蹤，并跟隨工作面的推進實時觀測記錄采煤工作面液壓支架支護狀態(tài)、周期來壓步距和端面冒頂詳細數(shù)據(jù)，進而進行分析對比，研究晉華宮礦11#煤8707綜采面采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，并為類似條件下綜采面礦壓規(guī)律研究提供借鑒。

111#煤層8707綜采工作面概況

晉華宮礦11#煤層8707工作面傾斜長度為159m，采用ZZ6000/17/37B四柱支撐掩護式液壓支架。煤層厚度2.2～3.5m，平均厚度為3.3m，f=1～2.5，平均傾角為3°，屬于近水平煤層。工作面直接頂為厚度較薄的炭泥巖、粗砂巖、細砂巖和粉砂巖組成，總厚度約為11.8m，節(jié)理裂隙比較發(fā)育；基本頂為厚度較大約為19.0m的中細砂巖、砂巖強度大整體性強，屬堅硬頂板[9-10]。柱狀圖見圖1。

2采場支架礦壓觀測方案及實施方法

本研究利用山東省尤洛卡自動化裝備股份有限公司生產(chǎn)的綜采記錄儀數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)實時記錄晉華宮礦11#煤層8707綜采工作面液壓支架頂板壓力顯現(xiàn)信息，使用數(shù)據(jù)處理軟件Origin9.0重點分析綜采液壓支架原始循環(huán)阻力(末阻力)數(shù)據(jù)，同時隨工作面推進現(xiàn)場采集工作面端面冒漏頂數(shù)據(jù)，來分析工作面周期來壓步距、礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律、端面冒漏頂?shù)染C合礦壓特征。

2.1監(jiān)測站布置

為了使測站的布置具有代表性，能夠反應出整個工作面的情況，礦壓觀測測站的布置應保證均勻布置在整個工作面，在支架處詳細觀測綜采面支架的工作狀況和礦壓顯現(xiàn)情況。因此，結合11#煤8707面綜采工作面實際地質賦存和生產(chǎn)狀況，在工

作面重點布置6個監(jiān)測站即6個分機，分別設在17#、28#、39#、50#、69#和88#支架處，見圖2。

圖1　晉華宮礦柱狀圖

圖2　8707綜采面礦壓觀測測站布置圖

2.2礦壓觀測指標、儀器及實施方法

在工作面推進過程中，記錄推進距離，利用綜采記錄儀及支架上支架液壓信息數(shù)顯表，采集測站處支架液壓及典型來壓區(qū)段整個工作面液壓信息。觀測內容及方法見表1。

表1　礦壓觀測指標、目的及實施方法和儀器

3支架液壓信息特征及端面片冒規(guī)律

3.1支架液壓值分析

沿工作面傾斜方向8707綜采面共110架支架，自工作面推進至174m到推進至414m，對8707綜采工作面6個分機(監(jiān)測站)液壓信息和端面片幫、冒頂情況進行了觀測和詳細記錄，并根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)繪制隨工作面推進各測站礦壓規(guī)律變化的特征曲線，見圖3。

由表2分析可得如下信息。①工作面周期來壓步距最小為14.21m，最大周期來壓步距為30.89m，大部分周期來壓步距都處在18～26m之間。老頂周期來壓平均為10.5次，周期來壓步距平均值為21.93m。②工作面10次周期來壓的平均動載系數(shù)為1.23，除第一次周期來壓動載系數(shù)達到1.40，其他各次來壓動載系數(shù)相對均勻穩(wěn)定，這可能與第一次周期來壓時頂板條件差不利于砌體梁穩(wěn)定有關，

圖3　測站液壓信息及片幫冒頂變化特征

分機來壓步距周期1#2#3#4#5#6#平均步距/動載系數(shù)124.4518.5218.8814.2327.0719.8720.50/1.40218.5619.9716.3229.8617.5630.0122.05/1.27318.2521.4221.8124.2527.8918.8622.08/1.21419.3218.3614.2121.0821.5824.7919.89/1.23524.7321.8315.8227.1228.6914.5922.13/1.20630.8915.7530.2518.7521.8321.7323.20/1.23726.2119.2921.3524.4117.7618.8221.31/1.21814.3127.4124.6118.2424.7124.7922.35/1.14917.5627.9225.5721.4521.3327.7523.60/1.231019.3221.2118.5526.3523.5128.2322.86/1.17平均21.1220.6621.0822.5723.1922.9421.93/1.23

整體來看工作面周期來壓并不強烈。③支架立柱壓強基本在其額定壓強 37MPa之下。工作面支架基本處于額定工作阻力狀態(tài)，極少數(shù)支架立柱壓強超出了其額定壓強37MPa，最高達到40.9MPa。

由以上結果可以看出晉華宮11#煤層8707工作面來壓并不劇烈，未出現(xiàn)典型的堅硬頂板事故，分析其原因如下：①基本頂受到7-4#煤層的采動影響發(fā)生損傷破壞，有效作用厚度降低，斷裂后形成的關鍵塊長度變小，且仍能形成穩(wěn)定的“砌體梁”結構；②直接頂厚度較大，一方面減小了關鍵塊最大回轉量，降低了關鍵塊失穩(wěn)的幾率，另一方面起到“墊層”作用吸收了部分關鍵塊回轉時的能量，降低了關鍵塊回轉對工作面和支架產(chǎn)生的壓力。

3.2端面片幫冒頂分析

從整體來看，8707綜采面片幫較為常見，冒頂在來壓狀態(tài)下時有發(fā)生，工作面推進過程中礦壓顯現(xiàn)較為平穩(wěn)。在觀測期間，8707綜采面沿傾斜方向片深及冒高總量的變化情況見圖4。

圖4　工作面片深與冒高累積量變化特征

由圖4可知如下信息。①工作面不同區(qū)域的片幫冒頂程度不同，片深及冒高累積量沿工作面傾向呈“M”型變化趨勢，即工作面兩端頭及中間部位片幫冒緩和，而位于上半工作面及下半工作面中部片冒較為嚴重。②工作面來壓時，片幫及冒頂一般伴隨產(chǎn)生，且兩者顯現(xiàn)強度相似；工作面片幫較為頻繁，小型冒頂也較為常見，多為局部偽頂軟巖破碎冒漏。從工作面推進方向上看，回采工作面各區(qū)域的片幫冒頂?shù)鹊V壓顯現(xiàn)程度和支架液壓值的變化呈正相關，存在一定的周期性。

3.3工作面支架前后柱液壓信息對比分析

為分析整個工作面立柱液壓信息，繪制工作面前后柱液壓信息曲線見圖5、圖6，并對比分析，總結8707綜采面液壓值規(guī)律，為評價支架—圍巖的適應性提供基礎數(shù)據(jù)。

圖5　工作面支架前柱液壓信息分布圖

圖6　工作面支架后柱液壓信息分布圖

由圖5、圖6可以得出如下信息。①工作面支架前柱液壓值絕大部分處于15～35MPa之間，以20～30MPa區(qū)間最為密集；工作面支架后柱液壓值絕大部分處于10～30MPa之間，以15～25MPa區(qū)間最為密集。②在工作面來壓期間整個工作面立柱液壓出現(xiàn)持續(xù)偏高，未來壓時整個工作面立柱液壓分布普遍較低，且中部液壓分布較上部和下部面廣，來壓時液壓值出現(xiàn)較高的液壓值的分布范圍較大，而未來壓時只出現(xiàn)了較為離散的高液壓值，前柱壓力普遍大于后柱。③支架工作阻力沿工作面傾向大體呈“M”型分布，支架工作阻力的峰值出現(xiàn)在工作面上部20～40架和下部70～90架之間，這可能與基本頂受損形成特殊結構有關。

4支架適應性評價

晉華宮礦11#煤層8707綜采工作面采用ZZ6000/17/37B型四柱支撐掩護式液壓支架，支架的初撐力為5105kN(31.5MPa)，額定工作阻力為6000kN(37MPa)。為研究液壓支架對頂板的適應性，需分析整個工作面液壓支架的工作阻力分布規(guī)律(圖7)。

如圖7所示：支架前柱工作阻力分布在25～37MPa之間的占47.64%，分布在20～25MPa之間的占17.56%，低于20MPa的占27.12%，而超過支架額定工作阻力37MPa的僅占7.68%；支架后柱工作阻力分布在20～37MPa之間的占45.64%，低于20MPa占48.68%，而超過支架額定工作阻力37MPa的僅占5.68%。

圖7　工作面工作阻力頻率分布圖

綜上分析可知：支架前柱實測工作阻力較大，普遍大于后柱，前后柱均有超過額定工作阻力現(xiàn)象發(fā)生，但頻率較低；現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)工作阻力超出額定工作阻力現(xiàn)象主要發(fā)生在來壓期間；存在部分工作面支架初撐力較低現(xiàn)象，分析認為是支架液壓系統(tǒng)發(fā)生泄漏引起，整個工作面支架工作阻力絕大部分都能夠滿足正常要求。總體來看，多數(shù)支架發(fā)揮較為充分，稍有富余，工作面現(xiàn)采用的ZZ6000/17/37B基本能夠滿足生產(chǎn)需求?？紤]到支架在實際使用過程中由于制造存在缺陷、操作不當?shù)仍?，支架很難達到額定工作阻力，若支架在現(xiàn)場能夠正常使用，則工作面的合理工作阻力即可定為支架的額定工作阻力值，8707合理工作阻力即為6000kN。

5結論

1)晉華宮多采空區(qū)堅硬厚層頂板工作面10次周期來壓的平均來壓動載系數(shù)為1.23，來壓不強烈，主要是由于直接頂厚度較大、基本頂損傷且能形成穩(wěn)定砌體梁結構。

2)工作面周期來壓期間由于直接頂節(jié)理裂隙比較發(fā)育，易發(fā)生漏冒頂事故，直接頂穩(wěn)定性成為來壓期間的控制重點，建議在周期來壓期間加強支

架液壓故障檢測、及時移架減小端面距、擦頂帶壓移架等，在遇到地質構造等圍巖破碎區(qū)還應采取鋪設金屬網(wǎng)、注漿等措施以保證工作面直接頂?shù)姆€(wěn)定性。

3)在整個觀測期間支架工作阻力主要在10～37MPa之間，偶有安全閥開啟，支架工作阻力有一定的富余，利用相對較為充分，工作面采用ZZ6000/17/37B型支撐掩護式液壓支架滿足開采安全的要求，建議其支架合理工作阻力為6000kN。

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Analysis and study of mine pressure regularity for hard thick roof mechanized face in several gobs

LIUJin-rong1，ZHOUYu2，DUXiao-wu2，XIChao-dong2，XIESheng-rong2

(1.DatongCoalMineGroupCompany，Datong037003，China；2.ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing)，Beijing100083 ，China)

Abstract:In order to understand the pressure regularity for hard thick roof mechanized face in several gobs in Datong mining area，taking the 8707 fully mechanized working face in the 11# coal of Jinhuagong Coal Mine as the research object and using the data analysis system of fully mechanized mining data recorder to monitor the hydraulic pressure message of the support in face advance.At the same time，observing the field data of the spalling and roof falling in the fully mechanized working face in detail.Comprehensively analyzed the observation data and found the law of mine pressure as follows，① the most step distance of periodic pressure are between 18～26 meters，the mean value is 21.93m；② the mean dynamic factor of the mechanized face is 1.23，the pressure is not intensity；③ the tendency of rib spalling and caving along the orientation of the working face is "M" trend；④ the distribution of support pressure is “M” along the tendency in working face and front column hydraulic pressure is generally greater than the rear column；⑤ in mechanized face，using the ZZ6000/17/37B hydraulic support can meet the requirements.The results of this study have an important effect on reducing the risk of leakage of the working face，accelerating the speed of the working face and ensuring the safe and efficient mining.

Key words：mine pressure observation；data analysis；periodic pressure；spalling and roof falling

收稿日期：2015-07-10

基金項目：三晉學者支持計劃專項經(jīng)費資助項目(2050205)；煤炭資源與安全開采國家重點實驗室大學生科技創(chuàng)新計劃基金項目(SKLCRSM14CXJH04)

作者簡介：劉錦榮(1971-)，男，山西大同人，碩士，高級工程師， 從事生產(chǎn)技術研發(fā)及管理工作。

中圖分類號：TD323

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)04-0077-05